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Cavitation

Cet axe regroupe les recherches sur la cavitation acoustique et hydrodynamique. Notre équipe étudie désormais la cavitation hydrodynamique à toutes les échelles, au bas nombres de Reynolds en écoulement laminaire dans des microsystèmes fluidiques jusqu’aux très hauts nombre de Reynolds en régime turbulent à l’échelle macroscopique. La cavitation est une activité fédératrice de l’équipe, puisqu’elle interagit avec les deux autres axes scientifiques ainsi qu’avec l’équipe MOST. L’érosion de cavitation concerne tout naturellement les turbomachines ; les effets thermodynamiques, la sonochimie et la cavitation acoustique ont des liens avec l’intensification des transferts. Six doctorants et quatre post doctorant ont participé à cette activité (notamment grâce au soutien de TEC XXI). Des collaborations locales, nationales et internationales ont été établies ou poursuivies avec les laboratoires Simap, IGE CEA, Insa Lyon, ILM , Institut Pprime, Universités de Ljubljana, Bruxelles, Manchester, du Michigan, Office of Naval Research (USA).

La cavitation est un des trois axes de recherche de l’équipe Energétique, en adéquation avec les activités sur les turbomachines et celles sur l’intensification des transferts. Les phénomènes de cavitation traduisent les changements de phase liquide – vapeur et vapeur – liquide consécutifs à une chute puis à une remontée soudaine de la pression d’un fluide de part et d’autre de sa valeur saturante. La cavitation acoustique est pilotée par une onde acoustique tandis que la cavitation hydrodynamique résulte du principe de Bernoulli.

A la cavitation hydrodynamique macroscopique qui est historiquement une activité du LEGI reconnue à l’échelle internationale, s’est rajoutée ces dernières années la cavitation hydrodynamique ‘sur puce’, c’est à dire au cœur de microsystèmes fluidiques. Enfin, on a vu au paragraphe précédent que la cavitation acoustique créée par des ondes ultrasonores est désormais appliquée à certaines problématiques d’intensification des transferts. A l’aspect purement mécanique de l’implosion d’une bulle et de ses effets néfastes (onde de choc, érosion) s’ajoute dorénavant une approche physique (sonoluminescence, fluides cryogéniques), chimique (chimiluminescence, production de radicaux hydroxyles, dégazage), ingénierie des procédés (exfoliation de particules, intensification des transferts). Pour tous ces aspects, la taille et la forme des bulles avant implosion sont les paramètres importants pilotant les phénomènes physiques cités. Ainsi, notre équipe a élargi le spectre des sujets couverts par la cavitation et le LEGI sera candidat l’année prochaine pour intégrer le GDR Cavitation récemment crée avec le soutien du CNRS.

Les activités de recherche sur le phénomène de cavitation hydrodynamique à l’échelle macroscopique concernent l’érosion [Roy et al. 2015, Deplancke et al. 2015]. Ce sujet est abordé conjointement par des méthodes numériques et expérimentales. Les simulations d’écoulements cavitants ont pour objectif l’élaboration d’un modèle d’usure, capable de prédire l’endommagement par cavitation et qui soit applicable aux hydrofoils, pompes centrifuges et turbomachines (C. Leclercq, L. Krumenacker, EDF/CETIM). Ces simulations d’écoulements 3D s’appuient sur une analyse à l’échelle d’une bulle unique, avec la prise en compte de la compressibilité et du changement de phase. L’érosion de cavitation a également été abordée à travers l’interaction fluide / structure (poursuite d’une collaboration engagée précédemment avec le Simap) (S. Joshi, P. Sarkar, CaFE Innovative Training Network). Pour la simulation de l’implosion d’une bulle de cavitation au voisinage d’une paroi, on couple désormais le calcul de la dynamique de l’implosion à celui de la réponse à la paroi (Y. Paquette, TEC21 & coll. Univ. Michigan). Cette approche numérique a été complétée par des études expérimentales inédites sur la boucle Prevero, avec les premiers essais de développement de capteurs de pression à base de films PVDF (J.B. Carrat, GE – HydroLike), avec les mesures d’émission acoustique et leur corrélation avec l’effritement du matériau soumis à la cavitation (M. Ylönen, coll. Tampere Univ. Techno.), ainsi qu’avec le développement et le test de nouveaux revêtements polymères spéciaux en vue de la protection contre les phénomènes d’érosion (C. Gauthier, ANR Astrid).

La cavitation hydrodynamique ‘sur puce’, c’est à dire au cœur de microsystèmes fluidiques possédant un diamètre hydraulique inférieur à 300 µm, est une approche expérimentale qui nous permet d’une part d’étudier la cavitation hydrodynamique dans des conditions d’écoulement inaccessibles à l’échelle macroscopique, et d’autre part d’associer à l’écoulement cavitant des métrologies spécifiques elles aussi inopérantes sur un dispositif macroscopique [Ayela et al. 2015]. Ainsi, notre équipe a pu pour la première fois produire un écoulement cavitant en régime laminaire [Mossaz et al. 2017], étudier le rôle des aggrégats dans le déclenchement de la cavitation hydrodynamique de nanofluides, faire caviter différents solvants et confirmer l’anomalie de l’éthanol qui cavite plus facilement que ce que laissent présager les modèles classiques (S. Mossaz, TEC21).

Comparaison au cœur d'un même micro venturi d'écoulements cavitants en régime laminaire (en haut, butanol, Re = 640 au niveau du col) et en régime turbulent (en bas, ether, Re = 8500 au niveau du col) ; la largeur du rétrécissement est de 50 µm. La longueur du diffuseur est de 5 mm.
Comparaison au cœur d’un même micro venturi d’écoulements cavitants en régime laminaire (en haut, butanol, Re = 640 au niveau du col) et en régime turbulent (en bas, ether, Re = 8500 au niveau du col) ; la largeur du rétrécissement est de 50 µm. La longueur du diffuseur est de 5 mm.

La cavitation est un changement d’état avec échange de chaleur latente et, en collaboration avec l’ILM, nous avons pu pour la première fois mettre en évidence sur l’eau les effets thermiques associés à ces changements, grâce à l’ensemencement de nanoparticules thermofluorescentes et à l’utilisation de microréacteurs dans l’installation d’un microscope confocal. Des zones de refroidissement du liquide là où se crée la vapeur et des zones d’échauffement là où les bulles implosent ont été visualisées. Nous avons constaté expérimentalement que la position de ces zones dépend fortement du régime d’écoulement, et ces constatations ont été validées par une première étude numérique. La cavitation est un phénomène physique localement violent et l’implosion des bulles peut dissocier les molécules d’eau en radicaux H° et OH°. La production de radicaux hydroxyles OH° peut s’appliquer à des procédés d’oxydation avancés de polluants. La cavitation acoustique, par son mode entretenu de formation des bulles, crée des radicaux hydroxyles. Mais l’efficacité de la cavitation hydrodynamique pour la sonochimie a toujours été contestée, faute de résultats quantitatifs concrets. Un second fait marquant de notre équipe est d’avoir pu pour la première fois quantifier le taux de production de radicaux OH° dans un écoulement cavitant, en utilisant du luminol (composé chimiluminescent réagissant à la présence de OH°) comme fluide de travail dans les microréacteurs couplés à un compteur de photons [Podbevsek 2018]. Cette recherche se poursuit en couplant et en corrélant la mesure expérimentale de la sonoluminescence à celle de la chimiluminescence (L. Perrin, TEC21). Sur un sujet plus appliqué, la cavitation hydrodynamique sur puce a permis de développer un procédé économique et écologique d’exfoliation de graphite en graphène (X. Qiu) breveté [Qiu et al. 2017 & 2019]. Ce travail se poursuit dans le cadre d’un projet de maturation financé par la SATT Linksium. Enfin, des programmes de recherche sont également en cours avec le Service des Basses Températures du CEA (cavitation de fluides cryogéniques) et l’IGE (dégazage du liquide issu de la fonte de carottes glaciaires, paléoclimatologie).

Exfoliation de microparticules de graphite (en haut) soumises à un écoulement microfluidique cavitant (image du milieu, écoulement de gauche à droite). En bas à gauche : flocons de graphène obtenus mesurés par AFM (la barre d'échelle vaut 1 µm). En bas à droite : observation MEB du produit brut exfolié.
Exfoliation de microparticules de graphite (en haut) soumises à un écoulement microfluidique cavitant (image du milieu, écoulement de gauche à droite). En bas à gauche : flocons de graphène obtenus mesurés par AFM (la barre d’échelle vaut 1 µm). En bas à droite : observation MEB du produit brut exfolié.

(F. Ayela, D. Colombet, S. Ferrouillat, E. Goncalves, R. Fortes – Patella, J.P. Franc)